Создание Записать-эффективность SNS солнечных батарей методом термического испарения и осаждения атомного слоя

Общая цель данной процедуры заключается в создании надежной платформы для разработки солнечных элементов на основе новых материалов. Сначала подготавливают чистую электроизолирующую подложку. На втором этапе наносят два слоя молибдена методом магнетронного распыления для создания заднего селективного электрического контакта с дырочной проводимостью.

Затем нанесите поглощающий слой сульфида олова P-типа методом атомно-слоевого осаждения или термического испарения. Заключительным этапом является формирование PN-перехода путем нанесения стека слоев N-типа, состоящего из буферного слоя составного оксисульфида цинка, за которым следует прозрачный проводящий оксид и металлические токосъемные дорожки, наносимые для облегчения сбора заряда. В конечном итоге полученные солнечные элементы тестируют путем измерения вольт-амперных характеристик при имитированном солнечном свете и квантового выхода при монохроматическом освещении.

Хотя данный метод продемонстрирован на примере разработки солнечных элементов на основе сульфида олова, он также может быть использован для создания неорганических солнечных элементов с тонкопленочной подложкой на базе других новых материалов. Процесс осаждения сульфида олова методом атомно-слоевого осаждения продемонстрирует Шван Янг, аспирант группы Гордона в Гарварде, а Стейнман, постдок из лаборатории исследований фотоэлектрики в MIT, продемонстрирует осаждение сульфида олова методом термического испарения.

Данное видео начинается после подготовки кремниевых подложек. Используйте полированные кремниевые пластины толщиной 500 micron и размером один квадратный дюйм с термическим оксидом толщиной 300 nanometer или более. Сначала нанесите методом магнетронного распыления адгезионный слой молибдена толщиной 360 nanometer, а затем нанесите второй проводящий слой maum толщиной 360 nanometer.

Храните подготовленные подложки в перчаточном боксе с азотом до начала осаждения сульфида олова для подготовки подложек к атомно-слоевому осаждению. Сначала перенесите их в установку для УФ-озоновой очистки с целью удаления органических частиц. Очищайте подложки в течение пяти минут.

Во время очистки убедитесь, что держатель подложек для камеры осаждения находится рядом. Когда подложки будут готовы, извлеките их и поместите в держатель образцов. Загруженный подложками держатель образцов готов к помещению в камеру осаждения.

Поместите держатель в печь, затем откачайте воздух из печи с помощью форвакуумного насоса. Затем стабилизируйте температуру в печи на уровне 200 °C. После этого проверьте состояние прекурсоров.

Поддерживайте прекурсор станната олова для осаждения сульфида олова в печи при 95 °C. Организуйте газопровод с подачей чистого азота для обеспечения транспорта паров станната. Вторым прекурсором является сероводород в газовой смеси (4% сероводорода в азоте); проводите осаждение со скоростью роста 0,33 Å за цикл.

В течение каждого цикла атомно-слоевого осаждения подавайте три дозы 10 ate для обеспечения общей экспозиции 1.1 tor second. Затем продуйте камеру азотом. После этого введите сероводород в потоке азота для экспозиции 1.5 tor second.

В завершение снова продуйте систему азотом. Альтернативным методом осаждения является термическое испарение. Убедитесь, что давление в рабочей камере составляет 2 × 10⁻⁷ торр или ниже.

Используйте держатель образцов с отверстиями соответствующего размера для надежной фиксации подложки. Как и ранее, используйте предварительно подготовленную подложку с двумя слоями молибдена. Схематическое изображение представлено здесь.

Поместите в держатель данный субстрат и несколько дополнительных небольших субстратов CYS для последующей характеризации. Установите держатель образцов в термический испаритель через шлюзовую камеру. Откачайте воздух из шлюзовой камеры, после чего переместите субстраты в камеру роста.

Используя манипулятор переноса, когда подложки находятся в рабочем положении, постепенно увеличивайте мощность нагревателей источника и подложки до достижения скорости роста 1 Å/с и температуры подложки 240 °C. Затем поднимите подложки, чтобы измерить скорость осаждения с помощью кварцевого микробаланса. Задействуйте линейный привод, чтобы переместить кварцевый микробаланс в рабочую камеру.

После установки откройте затвор источника, чтобы начать измерение. Скорость роста отображается на передней панели контроллера кварцевого монитора. По завершении измерения закройте затвор и извлеките кварцевый монитор из камеры.

Затем опустите подложки в положение для роста и откройте заслонку источника, чтобы начать осаждение. Для достижения целевой толщины пленки 1000 nanometers процесс осаждения займет около трех часов. По завершении осаждения закройте заслонку источника.

Повторите измерение скорости роста с помощью кварцевого микробаланса. После завершения измерения закройте заслонку источника, выключите нагреватели и дождитесь охлаждения подложек перед их переносом в загрузочную камеру. Выпустите воздух в камеру и выгрузите подложки.

Быстро снимите их с держателя образцов и переместите на хранение в перчаточный бокс с азотом. После процесса осаждения методом атомно-слоевого или термического испарения на образце будет сформирован слой сульфида олова. Затем все образцы подвергаются отжигу в газообразном сероводороде с последующей пассивацией поверхности естественным оксидом.

Следующим этапом является осаждение буферных слоев оксисульфида цинка n-типа и оксида цинка методом атомно-слоевого осаждения. Затем следует осаждение прозрачного проводника. Перед осаждением оксида индия-олова мы используем оксид индия-олова.

Необходимо определить активные области устройств. Используйте металлические теневые маски для задания размера контактных площадок из прозрачного проводящего оксида, который определяет активную область устройства. Маски формируют 11 прямоугольных устройств площадью 0,25 квадратных сантиметра каждое, а также более крупную площадку в одном углу, используемую в чертеже для измерений оптической отражательной способности.

Заштрихованная область указывает размер слоя оксида индия-олова, который необходимо нанести для одного устройства; установите устройства и маски в установке для совмещения масок. Маски должны быть достаточно толстыми, чтобы они не изгибались в установке для совмещения масок. В противном случае границы области оксидной контактной площадки могут стать нечеткими.

Перенесите масочный aligner с установленными устройствами к камере для распыления. Установите масочный aligner в положение для этапа осаждения. Следующим шагом является наращивание пленки оксида индия-олова толщиной 240 nanometer.

Для этого нагрейте подложку до 80–90 °C и включите вращение подложки. Установите параметры радиочастотного распыления, мощность, скорость потока аргона и кислорода, а также давление, после чего схематично проконтролируйте процесс осаждения. Таково состояние устройства после осаждения оксида индия-олова.

Следующим этапом является металлизация. С помощью теневой маски и электронно-лучевого испарения нанесите слой проводящего металла толщиной 500 nanometers, используя либо серебро, либо многослойную структуру из никеля и алюминия. Перед вами готовый образец.

Обратите внимание, что образец, представленный здесь, уже был поцарапан после изготовления для обнажения тыльного контакта из молибдена. Переходите к определению характеристик устройства с помощью солнечного симулятора, откалиброванного для коэффициента воздушной массы 1,5. Сначала с помощью лезвия скальпеля соскребите буферный слой и слои сульфида олова, чтобы обнажить тыльный контакт из молибдена.

Затем поместите образец в установленный на направляющих зажим для образцов; вакуум удерживает образец на месте, а температура зажима поддерживается на уровне 25 °C. Теперь установите электрический контакт с каждым из устройств на образце и с зачищенным тыльным контактом. В данном случае это выполняется с помощью специальной зондовой карты, которая одновременно контактирует со всеми устройствами с помощью бериллиевой меди.

Двойные зонды в четырехконтактном режиме для рутинных измерений. Для более строгого тестирования откажитесь от использования световой апертуры; апертура должна использоваться для определения активной области. С этой целью можно использовать теневую маску из прозрачного проводящего оксида.

Переместите патрон так, чтобы устройства находились в положении, позволяющем собирать данные о напряжении при световом и темновом токах с помощью автоматизированной системы тестирования. Запрограммируйте систему на последовательное зондирование отдельных устройств при открытии и закрытии светового затвора. Процесс тестирования показан в данном видео, однако обычно его следует проводить за черной шторой для уменьшения влияния окружающего освещения.

После проведения вольтамперометрических измерений переместите зажим с образцом в систему измерения внешней квантовой эффективности. Данные вольтамперометрии при освещении, данные внешней квантовой эффективности и результаты измерений оптического отражения обеспечивают базовую характеристику устройств. Ниже представлены данные о производительности солнечных элементов для устройств на двух образцах, изготовленных методом термического испарения. Для каждого устройства образцы различаются по цвету: серый для одного и красный для другого.

Приведены значения напряжения холостого хода, плотности тока короткого замыкания, коэффициента заполнения и эффективности преобразования энергии. Лучшие устройства имеют эффективность около 4%. Наблюдаемая корреляция между эффективностью и коэффициентом заполнения для обоих устройств характерна для приборов с потерями, вызванными шунтированием или последовательным сопротивлением.

Данные, отмеченные красным, также демонстрируют корреляцию между эффективностью и напряжением разомкнутой цепи, что ожидаемо для шунтирующего сопротивления. Потери для сравнения. Ниже представлены данные о характеристиках солнечных элементов, изготовленных методом атомно-слоевого осаждения.

Эти устройства обладают более высокими характеристиками, чем устройства, полученные методом термического испарения, при этом наилучший показатель эффективности составил 4.6%. Эта разница может быть обусловлена различными факторами. Одним из таких факторов является то, что устройства, изготовленные методом атомно-слоевого осаждения, по-видимому, характеризуются меньшими потерями из-за шунтирующего сопротивления.

Не забывайте, что работа с гидросульфатом может быть очень опасной. Убедитесь, что резервуар с гидросульфатом хранится в устройстве для вентиляции воздуха, таком как вытяжной шкаф, оснащенный детекторами гидросульфата. Мы рассматриваем данный базовый протокол изготовления как платформу для проведения контролируемых и целенаправленных экспериментов, предназначенных для повышения общей эффективности солнечного элемента и более глубокого понимания конкретных механизмов потерь.

После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как изготовить воспроизводимый солнечный элемент на подложке.